基于创新能力培养的 《精细化工专业实验》教学改革与实践*

邓瑞雪,高嘉屿,段文录,吴云骥,刘 普

（河南科技大学化工与制药学院，河南 洛阳 471023）

综合素质和创新能力的培养贯穿于教育教学的全过程,不仅要使学生具有扎实的理论基础知识,更重要的使学生具有较强的实践能力[1-2]。实践能力是学生培养质量的重要指标,也是学生具备自主创新能力的重要基础。实验教学是学生实践训练中一个非常重要的环节,也是提升实践能力和科技创新能力的主要途径之一[3]。大量的事实证明,学生实验技能的高低,决定其科技创新水平的高低。通过提高实验操作技能来培养学生的创新能力成为一个重要研究课题[4]。

化工是个以实验为基础的学科,实验教学在学生的培养中占用非常重要的地位,起到非常重要的作用[5]。在当前 “大众创业,万众创新”的背景下,创新能力的培养显得尤为重要。基于以创新能力培养为目的而进行的 《精细化工专业实验》教学改革与实践是非常必要的,也是必须的。

1 课程现状和存在的问题

目前,我校化学工程与工艺为河南省特色专业。每年招180人左右,是化工与制药学院历史最悠久,实力最强的专业。化学工程与工艺下设两个专业方向,高分子化工和精细化工,其中精细化工每年学生的选课人数在120人左右。因此,建设好精细化工专业对于化学工程与工艺专业学生培养质量的提高具有非常重要的意义[6-7]。

目前,精细化工方向的专业实验分为两个主要方向:“天然产物化工”和 “精细化工”,共计64学时,设计了12个实验,均为验证性实验。其中 “天然产物化工”实验依托专业课《天然产物化工》,而精细化工实验依托课程 《精细化工产品及工艺》。目前,精细化工专业实验教学存在如下问题:

(1）设置的实验多为已知实验过程的简单重复和已知实验结论的验证,要求学生按照讲义规定的程序操作实验并完成实验报告,这种实验教学模式不利于激发学生的学习兴趣和创新欲望[8]。(2）两个专业方向实验内容存在一定程度的重复。随着科学的发展,制备天然产物精细化工产品成为一种趋势。因此,需要对实验内容进行进一步的优化,整合优势资源来建设好本专业实验[9]。(3）在大学教学中,教学与科研是一个具有内在联系的不可分割的统一体,课程教学的知识可以转变为科学研究的思路,科学研究成果也可以归纳成教学内容[10-11]。目前,科研成果与教学之间还没有形成良好的相互促进关系,因此,需要将课题组的部分科研成果融合到实验教学中。(4）精细化工专业实验中会涉及到部分精细化工产品的分析和结构的表征等内容。原来缺少相关的仪器设备,涉及到分析和表征的实验都无法开设。而大型仪器作为现代研究中一个非常重要的工具,对于培养学生的实验技能和创新能力具有重要的作用[12]。因此,充分利用目前学院购置的大型仪器设备,结合精细化工专业实验内容设计开发一些相关的综合设计性实验成为当务之急。

因此,针对以上存在的问题及目前的良好的科研环境和实验条件。课题组计划在更新实验教学内容、优化实验设计、增加综合性实验和改进实验教学方式及考核方法等几个方面进行改革,期望能够进一步增强学生的实践创新能力,培养出更优秀的学生。

2 具体改革措施

2.1 《精细化工专业实验》教学内容修订

表1 调整后实验项目设置Table 1 The arrangement of the experiments

目前该实验的教学内容主要包括 “天然产物化工实验”和“精细化工实验”两部分,修订时拟打破课程局限,设计成一门课— 《精细化工专业实验》。通过对实验目的和方案的分析,删除一些由于理论课教学内容的变更而没有基础的实验,如弱酸性染料的染色。增加一些与目前实际需求相关的实验,如“天然产物功能因子化妆品的制备及性能测试”；同时依靠我院分析测试仪器平台,设计 “从丹皮中提取丹皮酚和单萜苷类化合物方法及产物分析”实验；另外,针对原来的局限于验证原理和单纯地学习精细化工单元操作,缺少与生产实际相结合的实验,造成学生综合运用知识能力欠缺等问题,拟依托我院新建的热模实训实践平台,开设 “精细化工产品—乙酸乙酯的合成、中和、精馏及二次精馏中试操作”实验项目,等等。通过修订,使教学内容设置更有针对性和合理性,充分利用学院的现有资源,给学生提供了更多的实践机会,能够进一步提高学生的动手能力和分析问题的能力,满足创新人才培养的需要。

2.2 《精细化工专业实验》综合设计性实验的设计

在优化实验教学内容的基础上,拟增加3-4个综合设计性实验,内容涵盖目前的 “精细化工”和 “天然产物化工”两部分实验。如设计了 “天然产物功能因子化妆品的制备和性能测试”,通过将从天然产物中提取得到具有美白和抗辐射作用的提取物添加到护肤品和面膜中来制备天然产物功能因子精细化工产品。实验内容涉及到天然产物化工中的提取分离,以及精细化工中表面活性剂的性能及在洗涤用品中的应用等内容。并且制备的产品学生可以带回去试用。达到了调动学生的积极性,提高实验效果的目的。除此之外,设计了 “从丹皮中提取丹皮酚和单萜苷类化合物方法及产物分析”,以及 “液体香波制备及其粘度和泡沫性能测定”等实验项目。

在 “液体香波制备及其剂粘度和泡沫性能测定”实验中,改变以往采用单一配方让学生按照要求进行实验的方法,在实验过程中根据表面活性剂的种类及用量的变化设计了4个不同的参考配方让学生在实验过程中选择。同时,在授课过程中明确了配方设计原则,提示学生除了选择上面的四个配方外,还可以根据自己检索文献的情况,结合课堂教学中掌握的不同类型表面活性剂的性质,自主选择合适的配方来进行实验。实验室提供了多种不同极性,不同结构特征的表面活性剂及其它助剂等来供学生选择。制备得到的香波通过测定黏度和泡沫性能来评价产品性能。实验结束后,学生可以将自己配置的香波带回去使用,通过洗手,洗发等来感受产品的性质。

由实验结果可以看出,大多数学生配方选择了不相同配方,制备香波的黏度和泡沫性能的数值也不一致。学生使用后,反映不同配方的产品洗涤效果也不完全一致。在此基础上,组织学生对实验情况进行讨论,分析配方的差异对产品黏度、泡沫性能及使用性的影响,进一步理解精细化工产品的大量采用复配技术的这一特点。通过实验过程分析及结果讨论,学生对不同配方洗发香波的性能有了进一步掌握,同时也深入理解了配方在精细化工产品制备中所具有的地位及所起的作用,巩固了理论知识的学习。

这些综合设计性实验的设计与实施,能够进一步提高学生的学习兴趣、自主学习能力和动手能力,更重要的是培养了学生的创新意识和创新能力。同时,学生的文献获取能力、表达能力和分析问题、解决问题能力等也得到了加强[13-14]。

2.3 科研成果与 《精细化工专业实验》的有机结合

随着我院精细化工专业方向教师科研能力的增强,近年在精细化工产品制备及天然产物化工研究等方面取得了较好的科研成果。这些成果与 《精细化工专业实验》的结合将会对理论和实践教学效果起到很好的促进作用。根据课题组在天然产物化妆品和洗涤用品,以及天然产物提取分离等方面的科研积累,设计了 “天然产物功能因子化妆品的制备和性能测试”；根据天然产物提取分离和结构鉴定方面的科研积累,设计了“从丹皮中提取丹皮酚和单萜苷类化合物方法及产物分析”实验等等。这些专业实验的设计都是建立在教师相关科研的基础上,部分难以获得的样品和试剂由相关的教师提供。团队教师将在科研工作中得到的最新科研成果渗透进理论教学和实验教学中,达到教学促进科研,科研反哺教学,教学科研互相促进的目的。

2.4 《精细化工专业实验》教学方法和手段

“精细化工专业实验”主要是针对高年级学生专业课而开设的实验课程,专业实验在原理、流程和操作等方面要更为复杂,仅仅通过传统的课堂板书教学和挂图等难以生动形象的展示相对复杂的实验操作流程,以及实验过程中涉及到的相关仪器的结构、工作原理等内容,这在一定程度上影响了教学效果和学生的听课积极性。“精细化工专业实验”的教学方式一直是讲授法板书教学,由实验指导老师讲解实验目的、实验原理、仪器使用及基本操作方法,以及实验过程中注意事项和要求等等,然后学生按要求按部就班地做实验。这种传统的教学方法不能充分发挥学生的积极性、主动性和创造性,学生的个性也难以体现[15]。

因此,教学实践中,在采用讲授法的基础上,穿插讨论法和演示法教学,同时借助学院实验室信息化建设的契机,购置安装了多媒体触摸屏作为教学载体,将授课内容以课件、图片及表格等形式通过多媒体触摸屏来展示。在教学过程中,通过多种手段来调动学生学习积极性和主动性,学生能够真正全身心参与到实验教学过程中,取得了良好的教学效果。

2.5 《精细化工专业实验》考核方式改革—注重过程考核

精细化工实验是综合性强的专业实验,要求学生具备扎实的基础理论知识和较好的实验基本操作能力。以前主要是通过实验报告、实验中出勤及表现情况等传统的方式评定成绩,这并不能真实反映学生的实际实验水平[4]。

在改革过程中,注重实验过程考核,将学生是否预习及预习效果,实验过程中基本操作的规范程度,实验过程中的整体表现等作为考核内容[16]。按照预习及预习效果(20%）,实验过程中整体表现(40%）和实验报告的撰写及实验结果(40%）等三部分来评定实验成绩。由于注重过程考核,学生通过认真预习提前熟悉实验内容及基本操作,减少了实验过程中的盲目性,缩短了实验时间；同时,学生将主要精力放在实验过程中,更加注重实验过程中基本操作的规范和遇到问题的处理能力的学习。通过上述措施,加强了实验过程的管理,获得了很好的效果。

3 结 语

通过更新实验教学内容、优化实验设计、增加综合性实验和改革实验教学及考核方式方法等基础上对化学工程与工艺专业精细化工专业方向的专业实验进行优化和设计。进一步调动了学生的积极性和主动性,提高了实验教学效果。大型仪器的引入,开阔了学生的视野,锻炼了学生的能力,提高了实验教学的质量和水平。通过一系列的改革措施,培养了学生的创新能力,提高人才培养质量。